Технология из МРТ способствовала созданию уникального космического двигателя
Исследователь из Штутгартского университета Франческо Романо разработал экспериментальный плазменный двигатель, способный использовать разреженную атмосферу Земли в качестве рабочего вещества. В будущем такая технология может позволить спутникам функционировать на сверхнизких орбитах в течение многих лет без необходимости в запасах ксенона или других традиционных рабочих газов.
Эта разработка относится к категории Atmosphere-Breathing Electric Propulsion (ABEP). Ее принцип заключается в том, что спутник во время полета собирает молекулы и атомы верхних слоев атмосферы, ионизирует их, превращая в плазму, а затем ускоряет с помощью электромагнитного поля, создавая тягу.
Подобные двигатели особенно привлекательны для орбит низкой околоземной высоты, составляющей примерно 100–450 км. Чем ближе спутник к Земле, тем более детализированные снимки он может делать, и радиолокационным и коммуникационным системам требуется меньше энергии. Кроме того, после завершения миссии аппарат быстрее сходит с орбиты, что снижает объем космического мусора.
Основная проблема VLEO заключается в сопротивлении остаточной атмосферы. Даже на таких высотах спутники постепенно замедляются и вынуждены постоянно компенсировать потерю скорости, расходуя рабочее тело.
Новая установка предлагает использовать в качестве рабочего тела тот самый разреженный газ, который создает аэродинамическое сопротивление спутнику. Самым сложным препятствием оказался атомарный кислород — крайне активный компонент верхней атмосферы, способный разрушать электроды, катоды и другие элементы традиционных плазменных двигателей.
Чтобы преодолеть эту проблему, Романо разработал бесконтактный радиочастотный геликонный двигатель без внешнего нейтрализатора. Магнитное поле формирует квазинейтральный поток плазмы, что позволяет отказаться от одного из наиболее уязвимых элементов традиционных электрореактивных двигателей.
Не менее важной частью проекта стала система забора воздуха. Из трех протестированных вариантов наиболее эффективной оказалась конструкция с параболической поверхностью. Во время экспериментов она собирала около 94,3% поступающих частиц атомарного кислорода, азота и аргона, а при отклонении от оптимального направления на 15 градусов эффективность снижалась всего примерно на 8%.
Для генерации плазмы используется так называемая birdcage-антенна, конструкция которой вдохновлена антеннами медицинских МРТ. Испытания показали, что до 99% подводимой высокочастотной мощности передавалось в зону образования плазмы двигателя.
В вакуумной камере установка стабильно генерировала плазму при мощности всего 50–60 Вт. Ученые моделировали состав и концентрацию газов, характерных для верхней атмосферы Земли.
Расчеты показывают, что полноценный спутник с таким двигателем потенциально сможет удерживать орбиту на высоте 190–250 км, используя менее 1,6 кВт электроэнергии, которую теоретически могут обеспечить солнечные панели.
Технология также может оказаться полезной для Марса. Поскольку атмосфера планеты преимущественно состоит из углекислого газа, двигатель теоретически сможет использовать его в качестве рабочего тела и поддерживать сверхнизкие орбиты на высоте около 120–160 км.
На данный момент разработка остается лабораторным прототипом. Ее работоспособность в реальных космических условиях еще предстоит подтвердить, а следующим важным этапом должно стать испытание технологии на настоящем космическом аппарате.
Источник